齐旭辉
深圳榕亨实业集团有限公司 广东省深圳市 518014
摘 要： 随着高层、地铁等建设工程的发展，基坑支护体系及计算分析方法备受工程界重视。以某地铁车站基坑工程施工过程为工程背景，在对其施工工艺及土层特性检测基础上，采用极限平衡法分析了支护桩及水平支撑的受力特点及实用计算方法，提出了深基坑支护动态设计理论基础。并针对支护体系核心构件：地下连续墙、钢管柱桩及钢管柱，提出了合理、科学的施工工艺及关键技术。研究成果，为同类基坑支护的设计及施工提供了基础的研究资料。
关键词：深基坑；支护体系；动态设计
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：
Research on engineering technology of deep foundation pit support system in a subway station
Qi Xuhui
Shenzhen Rongheng Industrial Group Co. , Ltd. , Shenzhen 518014, Guangdong Province
Abstract: With the development of high-rise building, subway and other construction projects, the foundation pit support system and its calculation and analysis method are paid more and more attention. Based on the construction process of a subway station foundation pit project and the detection of its construction technology and soil properties, the stress characteristics and practical calculation method of retaining piles and horizontal bracing are analyzed by using limit equilibrium method, the theoretical basis of dynamic design of deep foundation pit support is put forward. The reasonable and scientific construction technology and key technology are put forward according to the core components of support system: underground continuous wall, steel pipe pile and steel pipe column. The research results provide basic research data for the design and construction of similar foundation pit support
Key Words: Deep Foundation Pit; Support System; dynamic design
0引言
二十一世纪，伴随着人类社会发展的突飞猛进，地下空间的开发越来越普遍，其深度也屡创纪录，深基坑工程的安全性问题也引起了各界的关注。为了解决地下空间的飞速发展和安全保障之间的矛盾，我们对深基坑工程的设计理论和施工技术需要进行提高。将深基坑开挖设计与现场施工监测信息结合起来形成闭环控制系统，并解释其力学机理是解决深基坑工程核心问题的重要手段，在保证深基坑发展飞速发展的同时也提供了有效的安全保障。
基坑支护体系计算理论已经经过了长久的发展，在上个世纪初根据 Coulomb及Rankles土压力理论提出了现在普遍使用的极限平衡法，Terzaghi及 Peck等人提出了计算基坑开挖的稳定程度及支撑内力的方法，这些方法的提出对基坑工程的发展起到了决定性的作用。随着相关学科的发展，地基反力法应运而生，根据地基反力选取规则的不同可以分为极限地基反力法、弹性地基反力法及复合地基反力法。
基于某地铁车站深基坑工程施工方法和既有现场监测数据，通过提炼支护结构合理力学模型，在前期分析基础理论基础上，针对深基坑工程施工力学行为展开分析，为后期同类工程的实施提供可靠的基础研究参考。
1 项目概况
1.1工程概况
以某地铁车站基坑工程施工过程为工程背景，车站为岛式车站，车站主体长263.72m，基坑标准段净宽 24.0m，标准段净高 25.0m，剖面示意图如图1所示。
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图1 基坑工程剖面示意图
Fig. 1 profile of foundation pit engineering
主体结构采用明挖顺作法施工，车站主体基坑采用φ1200@1640 的钻孔灌注桩加 4道φ609×16 钢管内支撑的支护形式，支护桩顶部设置 1200×800 的冠梁，支护桩长为 33m，支护体系示意图如图2 所示。
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图2 支护体系示意图
Fig. 2 schematic diagram of support system
1.2基坑工程物理参数
根据工程地质勘察报告，地层土体物理力学参数见表1.
表1 物理参数表
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2深基坑支护体系力学行为分析
2.1支护桩计算方法
当支护桩底部插入深度较浅视为自由端支承时，适用静力平衡法，计算简图如图3。此法认为支护桩为土压力的作用下的极限平衡单跨简支梁，产生弯曲，土压力的分布也随之改变，同时由于底部未嵌固，支护桩底部有可能向基坑内移动，从而出现“踢脚”现象。
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（a）无粘性土 （b）粘性土
图3 静力平衡法计算简图
Fig. 3 schematic diagram of static equilibrium method
静力平衡条件如下：
①水平力之和为零:
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式中：为支撑点处反力（KN/m）；为主动土压力（KN/m）；为被动土压力（KN/m）。
2.2 水平支撑平面计算方法
水平支撑可简化为连续梁进行计算。即简化支撑体系中的某一段冠梁或腰梁为多跨连续梁，荷载条件可以设置经验值亦可从支护体系计算方法中得到，将支撑或锚杆简化为链杆支座，计算简图如图 2.7所示。
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通过上述简化，即可按照连续梁的求解方法，求得冠梁或腰梁内力及支座反力，然后根据支座反力可求得支撑或锚杆内力，最终可以根据我们的计算对水平支撑体系进行计算。
2.3 深基坑动态设计理论
工程动态设计理论主要涉及动态设计及信息化施工两部分，其核心思路是：
通过建立动态设计模型，按照施工过程对支护桩进行逐次模拟分析，预测诸如位移、沉降、土压力、结构内力等支护桩在施工进行时的性状，而后通过现场实时监测技术获得预测性状的对应实测值，最后通过预测值与实测值的对比，对施工设计做出相应决策，修改原设计中与实际情况不相符的部分。
动态设计理论的具体计算过程如下：
①假定 X(n)为基坑开挖过程中第n 时段某部位的变形、土压力、轴力等状态变量，此时段的施工措施（参数）为预计输入量 V (n)，备用施工措施（参数）为调整输入量U (n)；
②设置界限值δ ，当 时，认为系统偏差处于可调范围内，V(n)保持不变，只需改变 U ( n )；
③当时，认为系统已严重偏离可调整状态，需要同时改变 V ( n)及 U ( n )才能保证预期目标的实现。
3施工关键技术研究
3.1地下连续墙施工
根据本项目地质条件和设计参数，采用旋挖钻机与液压抓斗组合施工，充分发挥两种机械的优势。旋挖钻机的钻岩能力较强，可钻进不同地层，先从地面钻引孔至设计墙底标高，地面引孔分部数量为“两钻一抓”。引孔的导向作用能有效地防止抓斗遇软硬不一地层时造孔发生偏斜，提高成槽垂直度及平整度，同时大幅提高抓斗成槽的效率。遇到入中风化岩层较深的槽段（局部3m以上）时，成槽至中风化岩层后，每抓内增加１个引孔，更换旋挖钻机对中风化岩层进行钻孔以进一步破碎岩层，进一步提高入岩段抓斗成槽效率。
3.2钢管柱桩施工
针对钢管柱桩嵌入岩层深，岩层钻进难度大，普通的钻具虽可实现进尺，但消耗时间长、不经济，而仅仅使用特殊钻具，如短螺旋钻头，又存在成孔形状无法满足灌注的要求。
参照省级工法《嵌岩旋挖桩钻进施工工法》的要求，采用多钻头组合钻进和分级碎岩方法成功解决了深嵌岩钻进难题。多钻头组合，就是先用带截齿的筒式钻头以较低钻压和较高转速对岩层做环状围切，类似于岩心钻，将岩心与地层割开，每回次钻进300mm；然后换螺旋钻头以较高钻压和较低转速将岩心崩裂破碎；再换用普通捞砂斗将未被螺旋钻头带上的岩屑取出，以清除孔壁、孔底。采用该工艺，明显提高了工作效率，经济效益显著，技术先进，且对环境污染小，是绿色环保型工法。
3.3钢管柱施工
钢管柱为永久结构，设计垂直度要求较高，施工难度大。因钢管柱顶部位于地面以下，要实施调垂就必须有导向节，早期导向节使用法兰盘、螺杆在地面上连接成一整体后起吊，但该方法很难保证连接的垂直度，此外在吊起过程中可能会因钢管自重等原因造成部分螺杆松动或变形，而导致钢管柱在调垂前就发生了变形，因而就很难保证钢管柱的垂直度。
为解决这一隐患，通过摸索和探讨，采用一种新型调垂装置，在钢管柱起吊安装前在孔口安装好调垂架，并检验其水平度及稳固度，接着将钢筋笼、钢管柱分别经过调垂架吊放入孔，当钢管柱达到设计标高后通过调垂架上端四方螺栓固定钢管柱的顶部，同时将钢管中心与桩中心调整一致，最后通过拧动调垂架下端螺栓来调动钢管，通过双向全站仪观测，当达到两个方向垂直后拧紧螺栓将整个钢管柱固定，完成调垂操作。经检测验证，使用该调垂架调垂，其最小垂直度可以达到1/600，满足设计要求。
5 结论
(1) 基坑开挖卸载后受到扰动，原平衡能被打破向新平衡发展，支护桩在土压力的作用下向基坑内变形，同时支护桩向基坑内变形后导致基坑内外土体应力状态发生改变，土压力也发生变化，这种侧向变形与土压力变化的相互影响贯穿基坑开挖施工的始末；
(2) 按照施工过程对支护体系进行全过程模拟分析，预测诸如位移、沉降、土压力、结构内力等支护桩在施工进行时的变化及分布规律，不断修正原设计中与实际情况不相符的部分，这种动态设计理论对工程应用有着重要意义。
(3)支护体系施工中，应严控质量要求及工艺参数，加强施工全过程监测工作。针对不同构件、不同构造特点，采取有针对性、科学性措施提升施工质量。
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